（通信與信息系統(tǒng)專業(yè)論文）基于lan的分布式系統(tǒng)實時性研究與應用.pdf

摘要 本論文的目的是研究和解決分布式系統(tǒng)的實時性問題，文中提出了一種 分布式實時系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，擴展了原有的通用實時傳輸協(xié)議，討論了一種 把實時操作系統(tǒng)和動態(tài)實時傳輸協(xié)議結(jié)合起來提高分布式系統(tǒng)實時性的方 法，并在艦艇指控系統(tǒng)中進行了應用。 文中首先介紹了實時系統(tǒng)和分布式系統(tǒng)的基本理論，然后提出了一種新 的分布式實時系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型，并應用新模型進行了艦艇指控系統(tǒng)的設計，論 文針對艦艇系統(tǒng)的應用特殊性對已有的實時通信協(xié)議進行了改進，擴充了數(shù) 據(jù)傳輸和可靠性處理的部分，在文中稱改進后的協(xié)議為動態(tài)實時傳輸協(xié)議， 然后應用v x w o r k s 實時操作系統(tǒng)和動態(tài)實時傳輸協(xié)議進行艦艇指控系統(tǒng)中進 行實時任務和實時傳輸?shù)难芯亢驮O計，最后對實時性研究方案進行了仿真試 驗并取得了較好的效果。 關(guān)鍵字：實時性；分布式系統(tǒng)；分布式實時結(jié)構(gòu)模型；動態(tài)實時傳輸協(xié)議 局域網(wǎng) a b s t r a c t t h i sp a p e ri st os t u d ya n de n h a n c et h er e a l t i m ep e r f o r m a n c ei n d i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m i nt h i sp a p e r ，w ep u tf o r w a r da n a r c h i t e c t u r em o d e lt od e s c r i p td i s t r i b u t e dr e a l t i m es y s t e m ，a n d a d v a n c ear e a l - t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o l ，f o l l o w i n gw et r yt oa p p l y am e t h o dt oe n h a n c et h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c ei nd i s t r i b u t e ds y s t e m ， i nt h em e t h o dw eb i n dr e a l t i m eo p e r a t i o ns y s t e mt o g e t h e rw i t hd y n a m i c r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o lt om a k euseo ft h e i rc a p a b i l i t y f a r t h e s t ，l a t e rw ea p p l yt h i sm e t h o dt on a v a lc h a i no fc o m m a n d f i r s tw eb r i n gi nt h ef u n d a m e n t a lt h e o r yo fr e a l t i m es y s t e ma n d d i s t r i b u t e ds y s t e m t h e nw euseag e n e r a la r c h i t e c t u r em o d e lo f d i s t r i b u t e ds y s t e mf o rr e f e r e n c e ，b ya d d i n gap a r to fn o n r e a l t i m e k e r n e li nt h ek e r n e ll a y e r ，w ea m e l i o r a t et h ea r c h i t e c t u r em o d e la n d a p p l yi tt of r a m et h en a v a lc h a i no fc o r a m a n d i no r d e rt oa d j u s td e m a n d o fn a v a lc h a i no fc o m m a n d ，w eb o o s tt h eg e n e r a lr e a l t i m et r a n s m i s s i o n p r o t o c o lb ya d d i n gm e a s u r e st ot h e o l dp r o t o c o li nt h ea s p e c to fd a t a t r a n s f e r r i n ga n dr e l i a b i l i t yb ys o f t w a r e ，a f t e rw ec a l lt h ei m p r o v e d p r o t o c o ld y n a m i cr e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 a sa ni n n o v a t i o ni n r e a l t i m ep e r f o r m a n c er e s e a r c ha n dd e s i g n ，w et r yt oi m p r o v et h e r e a l t i m ep e r f o r m a n c eb yu s i n gc a p a b i l i t yo fb o t hv x w o r k sa n d r e a l t i m et r a n s m i s s i o np r o t o c o lf u r t h e s t f i n a l l yt h i sm e t h o di s v a l i d a t e db yu s i n ga n dt e s t i n gi nn a v a lc h a i no fc o m m a n d k e yw o r d s ：r e a l t i m ep e r f o r m a n c e ：d i s t r i b u t e ds y s t e m ；m o d e lo f d i s t r i b u t e d s y s t e m ；d y n a m i cr e a l t i m et r a n s m i s s i o n p r o t o c o l ：l o c a la r e an e t w o r k 。盛鎏璺型蘭銎籃篁壘生一一一 1 1 本課題的研究背景 第1 章緒言 隨著計算機及通信技術(shù)的飛速發(fā)展，計算機網(wǎng)絡已經(jīng)滲透到社會經(jīng)濟的 各個領域，對社會經(jīng)濟發(fā)展起著越來越重要的作用，也使人們的工作甚至生活 方式發(fā)生巨大的變革，基于局域網(wǎng)絡的分布式系統(tǒng)應用也越來越廣泛，作為 分布式系統(tǒng)，實時性是很重要的特性。 伴隨著新世紀的到來，海軍在新時期對信息化的要求也越來越高，作為 海軍綜合電子信息系統(tǒng)的一部分，艦艇作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)是一個分布式實時 系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，如何提高系統(tǒng)的信息傳輸速度、數(shù)據(jù)處理速度和實時響 應速度是決定該系統(tǒng)性能的重要因素，本課題就是以提高海軍艦艇指揮控制 系統(tǒng)的性能為背景，以該系統(tǒng)的實時性為研究對象展開的，并就當今應用日 益廣泛的分布式系統(tǒng)( 局域網(wǎng)) 的實時性問題，主要包括任務實時性和實時 通信等問題進行研究。 在海軍艦艇指揮控制系統(tǒng)中，任務可預測性、實時響應能力是兩個重要 特性，只有解決了這兩個問題，才能滿足戰(zhàn)斗指揮中快速響應、高可靠性的 要求。同時實時性問題的研究和解決對提高分布式系統(tǒng)性能具有重要的意義。 1 2 分布式實時系統(tǒng) 實時系統(tǒng)是能夠在預定的時間內(nèi)執(zhí)行完計算、處理完事務并能在預定的 時間內(nèi)對外部異步事件做出響應的計算機系統(tǒng)，實時系統(tǒng)的正確性不僅依賴 于計算結(jié)果的邏輯正確性而且與結(jié)果的完成時間有關(guān)。這一定義覆蓋了一個 很廣的范圍，包括：多媒體通信系統(tǒng)、在線事務處理系統(tǒng)、報文交換系統(tǒng)、 生產(chǎn)和過程控制系統(tǒng)、艦船作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)、航天控制系統(tǒng)等。 在很多實時應用領域，單處理器下的實時系統(tǒng)已很難滿足應用要求，許 多實時系統(tǒng)通常都是龐大而且是分布式的，這種實時系統(tǒng)我們稱之為分布式 實時系統(tǒng)。按照分布式系統(tǒng)的硬件組成和在分布式邏輯運算方法，可以劃分 ；墮璽鎏三堡盔謄壟圭耋堡篁奎 為兩種結(jié)構(gòu)形式： 1 1 分布式系統(tǒng)= 并行處理+ 分布式控制 2 ) 分布式系統(tǒng)= 計算機網(wǎng)絡( l a n ) + 分布式操作系統(tǒng) 第一種結(jié)構(gòu)形式是物理上和邏輯上都是緊耦合的形式，主要用于對計算 速度要求比較高的領域，如大型的并行科學運算等。第二種結(jié)構(gòu)形式為在物 理上的松散耦合，但在邏輯上卻是緊密耦合的多機系統(tǒng)，在通常情況下表現(xiàn) 局域網(wǎng)( l a n ) 連接起來的形式，這是分布式系統(tǒng)的較為普遍的存在形式，也 是本文的主要研究內(nèi)容，除了特別說明外，本文后面提到的分布式系統(tǒng)指這 種形式。 1 3 分布式實時系統(tǒng)的特性 分布式實時系統(tǒng)的一般特性如下： 1 分布式： 系統(tǒng)基于個局域網(wǎng)。分布式的要求是由多種因素引起的，如：性能、 可靠性和功能需求等。從目前實時系統(tǒng)的發(fā)展來看，分布式的趨勢是明顯的。 2 時間限制： 系統(tǒng)中的活動帶有各種時閥限制，如：周期、期限等。 3 動態(tài)特性： 除靜態(tài)周期活動之外，系統(tǒng)還必須能夠處理動態(tài)發(fā)生的事件。 1 4 實時系統(tǒng)向分布式發(fā)展帶來的問題 由分布式系統(tǒng)的特性不難看出，在分布式系統(tǒng)給人們帶來了大的數(shù)據(jù)處 理能力、高可靠性和資源共享的同時也帶來了很多問題。 由于分布式系統(tǒng)在空間上的分布式，往往是通過網(wǎng)絡連接起來的，數(shù)據(jù) 在空劇上的傳輸必然會引起時閾延遲和占用網(wǎng)絡信道的問題，在分布式實時 系統(tǒng)中，要想保證任務能夠?qū)崟r完成，在網(wǎng)絡傳輸上必然對傳輸時間有較高 的要求。 根據(jù)實時系統(tǒng)的定義，系統(tǒng)的實時任務不僅要求邏輯上的正確性，同時 必須滿足時限要求和可預測性，在實時系統(tǒng)呈現(xiàn)多機分布的情況下，在實時 2 墮璽鎏三堡奎耋堡圭耄堡鋈圣。 任務上的要求仍然需要滿足。 對于分布式系統(tǒng)中動態(tài)發(fā)生的實時事件也必須根據(jù)實時要求在規(guī)定的時 間內(nèi)能夠解決，因此在分布式實時系統(tǒng)中，采用什么樣的協(xié)議、怎樣處理中 斷事件對系統(tǒng)的性能有很大的影響。 由實時系統(tǒng)向分布式實時系統(tǒng)發(fā)展出現(xiàn)的三個特點決定了分布式實時系 統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，很顯然，在分布式實時系統(tǒng)中，這些技術(shù)都與時間有著密不 可分的關(guān)系。只有解決好了上面的三個問題，才能建立起安全、可靠的分布 式實時系統(tǒng)，研究實時性對分布式實時系統(tǒng)具有非常重要的意義。 1 5 分布式實時系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀 隨著網(wǎng)絡技術(shù)，高精度計算技術(shù)和高速數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的發(fā)展，分布式系統(tǒng) 的實時應用變得越來越廣泛，與單機實時系統(tǒng)相比較，分布式實時系統(tǒng)的系 統(tǒng)結(jié)構(gòu)、調(diào)度算法和系統(tǒng)資源管理變得更為復雜，分布式系統(tǒng)涉及到的知識面 非常廣泛，在一定程度上是計算機研究和應用中的最具挑戰(zhàn)性的課題，代表計 算機技術(shù)的最前沿方向。近年來分布式實時系統(tǒng)得到了很多人的研究，根據(jù) 實時應用的性質(zhì)和分布式系統(tǒng)的組成，這些研究大概可以歸納為三個方向： 1 操作系統(tǒng)+ 基于分布式對象技術(shù)的實時擴展模塊 9 0 年代出現(xiàn)的分布式對象技術(shù)為網(wǎng)絡計算平臺上軟件的開發(fā)提供了強 有力的解決方案。目前，逐漸形成了3 種具有代表性的主流技術(shù)，c o m d c o m 技術(shù)、j 2 e e 技術(shù)和c o r b a 技術(shù)。分布式對象技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展為分布式系 統(tǒng)計算和通信提供了強有力的解決方案。在這三種分布式對象技術(shù)中現(xiàn)在也 都已經(jīng)出現(xiàn)了面向?qū)崟r擴展的模塊，如，微軟公司的實時c o m 技術(shù)，國際 對象組織的r e a l c o b r a 技術(shù)等。但是基于分布式系統(tǒng)的特點一物理上分布性， 同時計算機操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡系統(tǒng)本身存在著很多問題，表現(xiàn)為計算機是否擁 有實時操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡傳輸過程當中是否能保證命令、數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)葐?題還沒有得到完全解決，這些實時擴展的模塊主要面向弱實時系統(tǒng)。 2 實時操作系統(tǒng)+ 通用操作系統(tǒng)+ 實時通信 實時操作系統(tǒng)是強實時系統(tǒng)的必要組成部分，目前在這種分布式實時系 統(tǒng)中，分布式系統(tǒng)的實時功能模塊有實時操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，其它非實時任務 3 墮璽鎏苫堡盔耋堡圭耋垡笙耋 可以由通用操作系統(tǒng)來實現(xiàn)，實時通信機制負責實時任務之間的交互a 這是 分布式實時系統(tǒng)應用較為廣泛的形式。 3 分布式實時操作系統(tǒng)+ 計算機網(wǎng)絡 分布式實時操作系統(tǒng)是近年來各國研究的一個熱點，在分布式系統(tǒng)的不 同發(fā)展時期，分布式操作系統(tǒng)的研究也分為三個不同的方向。 1 第一個方向是在原有的操作系統(tǒng)的基礎上加入分布式的特征，這類操 作系統(tǒng)的研究主要在原有分時系統(tǒng)中( 如u n i x ，m r n i x ) 和應用軟件之間插入 一層，實現(xiàn)分布式服務，典型的如u n i v e r s i t yo f m i s s i s s i p p i 的d m i n i x 和b e l l c o m m u n i c a t i o nr e s e a r c h 的d u n i x ，但是人們注意到由于宿主操作系統(tǒng)本身 的復雜性，這種方法造成了系統(tǒng)的整體性能比較差，近期由h i 公司，d e c 公司等提出的d c e ( d i s t r i b u t e dc o m p u t i n ge n v i r o n m e n t ) 也屬于同一方向，但 是在不同類型操作系統(tǒng)上實現(xiàn)統(tǒng)一的分布式計算原語。 2 第二個方向是實現(xiàn)獨立的通用的分布式操作系統(tǒng)，通過對第一種方法 的重新認識，以及對分布式系統(tǒng)的進一步研究，人們認識到分布式操作系統(tǒng) 和傳統(tǒng)的分時操作系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上育很大的差異，所以實現(xiàn)獨立的分布式操作 系統(tǒng)稱為必然，這其中比較成功的有c m u 的m a t h ，v r i j eu n i v e r s i t y 由a n d r e w s ，t a n e n b a u m 等領導的a m o e b a 和m 1 t 的s p r i t e 等，這一方廊的操作系統(tǒng)比 較多，研究多集中于大學和研究機構(gòu)中，其中具有商業(yè)化潛力的是m a c h 。 3 ，第三個方向是獨立的實時應用的分布式操作系統(tǒng)，由于分布式本身所 具有的相對于集中式的優(yōu)勢，人們自然想到分布式的實時應用問題，其中有 u n i v e r s i t yo fm a s s a c h u s e t t s 的s p r i n g ，u n i v e r s i t yo fm i c h i g a n 的h a r t o s ， t e c h n i s h e u n i v e r s i t a t w i e n 的m a r s ，c m u 的a l p h a ，和u n i v e r s i t y o f m a r y l a n d 的m a r u t i 等，這些系統(tǒng)從不周角度提供了設計思路_ 葶日關(guān)鍵技術(shù)，有許多值 得借鑒的地方，其中s p r i n g 已應用在個機器人系統(tǒng)上，對系統(tǒng)性能進行了 測試a 目前得到比較廣泛應用的是加拿大q s s l 公司( q n xs o f t w a r es y s t e m l t d ) 開發(fā)的q n x 分布式實時操作系統(tǒng)。該操作系統(tǒng)能運行于i n t e l x 8 6 、 p e n t i n m 等c p u 環(huán)境下，也能運行于p o w e r p c 、m i p s 等的c p u 環(huán)境下。q n x 具有分布、實時和可嵌入的特點，能較好的滿足分布式實時系統(tǒng)的要求，但 同時在分布式任務的處理方面存在一些尚未解決的技術(shù)問題。 國內(nèi)n q 降g - 個方向的分布式操作系統(tǒng)的有南京大學的z c z o s ，清華大 4 墮璽鎏三壟盔耋堡圭耋堡鎏童一 學的t h u d s o s 。屬于第三令方向的有電子科技大學的分布式實時操作系統(tǒng) u e c n e t 。 1 6 本論文工作概要 本文的研究對象是前面提到的分布式系統(tǒng)的第二種存在形式，基于 l a n ( l o c a la r e an e t w o r k ) 的分布式系統(tǒng)的實時性問題，文中把分布式系統(tǒng)的實 時性歸結(jié)為兩個方面來進行研究，即系統(tǒng)中實時任務的實現(xiàn)和數(shù)據(jù)在分布式 系統(tǒng)中的實時傳輸。最后把研究的結(jié)果用以解決艦艇指揮控制系統(tǒng)的實時性 問題。 本文首先介紹了實時系統(tǒng)、分布式系統(tǒng)和l a n 的相關(guān)技術(shù)和理論，在 這些理論的基礎上，作者進行了后面自己的工作，在分析和總結(jié)分布式實時 系統(tǒng)的共同特點之后，提出了一個分布式實時系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)模型，并根據(jù)這個 模型構(gòu)建了艦艇指揮控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)模型，然后分別就分布式實時系統(tǒng)的網(wǎng) 絡拓撲結(jié)構(gòu)、任務實時性和網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性等問題進行了研究并提出了本 論文的解決方案。 在分布式系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)方面，本文根據(jù)系統(tǒng)分布和任務實時的特點和 要求采用了基于以太網(wǎng)協(xié)議的雙冗余總線網(wǎng)，網(wǎng)絡是由菲實時操作系統(tǒng) ( w i n d o w sn t ) 羊h 實時操作系統(tǒng)( v x w o r k s ) 組成的異構(gòu)局域網(wǎng)。 系統(tǒng)實時任務研究是本文的研究重點，也是作者的主要工作之一，根據(jù) 實時系統(tǒng)理論、實時操作系統(tǒng)的機理以及海軍對指控系統(tǒng)的具體要求，解決 艦艇指控系統(tǒng)實時任務的方案如下面所述，首先根據(jù)任務對實時響應和可預 測性的要求，對系統(tǒng)的任務進行劃分，可以將系統(tǒng)任務分為實時任務模塊和 非實時任務模塊。系統(tǒng)的實時功能模塊( 包括靜態(tài)實時任務和動態(tài)實時任務) 由實時操作系統(tǒng)來運行實現(xiàn)，非實時功能模塊主要放在通用操作系統(tǒng)上來運 行實現(xiàn)，這樣既可以充分應用實時操作系統(tǒng)的實時機理來保證系統(tǒng)關(guān)鍵任務 的實時性，又可以發(fā)揮通用操作系統(tǒng)操作簡單、界面友好、使用方便等優(yōu)點， 來滿足艦艇作戰(zhàn)指控系統(tǒng)的性能要求。 網(wǎng)絡傳輸?shù)膶崟r性研究是本文的另外一個研究重點和工作重點，本論文 在參考了原有的幾種網(wǎng)絡實時傳輸協(xié)議“7 “5 ”“原理的基礎上，針對艦艇指 5 墮璽鎏三堡盔耋堡主耋絲鎏塞 控系統(tǒng)網(wǎng)絡組成的特點和實時傳輸?shù)囊?，進行了擴充和改造，在本文中稱 擴充和改造完了的協(xié)議為動態(tài)實時傳輸協(xié)議d r t p ( d y n a m i cr e a l t i m e t r a n s m i s s i o np r o t o c 0 1 ) ，它是t o k e nb u s 和c s m a c d 的混合協(xié)議，這種方案 的基本原理為，在系統(tǒng)沒有實時傳輸要求時，采用基于c s m a c d 以太網(wǎng)協(xié)議的 t c p i p 進行傳輸，在網(wǎng)絡需要實時傳輸?shù)臅r候，切換為實時令牌協(xié)議( r t t p ) ， 保證實時通信消息的傳輸。這里的實時令牌協(xié)議是在現(xiàn)有的以太網(wǎng)協(xié)議的基 礎上進行了一些改進，不對網(wǎng)絡硬件作任何修改，完全保留原有t c p i p 協(xié)議， 在數(shù)據(jù)鏈路層之上增加實時通信功能。在第四、五章重點討論動態(tài)實時傳輸 協(xié)議的設計和實現(xiàn)。 最后一章介紹實時性解決方案在艦艇指控系統(tǒng)中的設計、仿真驗證過程 和結(jié)果。 6 。；墮璽鋈三堡盔耋堡圭鯊i 鎏。 。一 第2 章實時系統(tǒng)和r t o s 2 1 實時系統(tǒng)的基本理論 計算機實時系統(tǒng)是( c o m p u t e rr e a l t i m es y s t e m ) 是計算機應用領域里的 一個重要分支。從最簡單的工業(yè)控制到非常復雜的太空系統(tǒng)，它都能一顯身 手。過程控制、工廠自動化、海底探測、機器人系統(tǒng)、空中交通管理、武器 系統(tǒng)、作戰(zhàn)指揮控制系統(tǒng)、航天測控、空間站和太空防御系統(tǒng)等都是典型的 實時系統(tǒng)。 如果一定要給實時系統(tǒng)下一個定義，我們可以這么說，“a n ys y s t e m w h e r eat i m e yr e s p o n s eb yt h ec o m p u t e rt oe x t e r n a ls t i m u l ii sv i t a l i sar e a l t i m es y s t e m ”，翻譯成中文為，任何對外部的激勵有及時地可預 測響應的計算機系統(tǒng)都可以稱為是實時系統(tǒng)。 2 1 1 實時系統(tǒng)中時間約束的相關(guān)概念 實時系統(tǒng)的一個重要特點就是實時系統(tǒng)中的任務具有時間約束。時間約 束有很多相關(guān)概念，只有掌握了這些概念，才能進一步對實時系統(tǒng)進行深入 的討論。下面介紹一些有關(guān)時間約束的基本概念。 時限( d e a d l i n e ) ：表示一個特定時刻或特定的時間間隔，它要求一個任 務在該時刻之前完成。 任務執(zhí)行時間：一個任務從啟動到完成所花費的時間。它分為平均任務 執(zhí)行時間和最壞任務執(zhí)行時間。實時系統(tǒng)中一般指最壞任務執(zhí)行時間，考慮 了可能的等待、阻塞等最不利的情況。 任務余量( 1 a x i t y ) ：時限減去任務執(zhí)行時間所得的值。它的大小反映了系 統(tǒng)工作的從容程度。 緊時間約束( t i 曲tt i m ec o n s t r a i n o ：又稱緊時限，指在滿足任務的同時， 留給系統(tǒng)的時間比較緊張。它主要是由任務的余量小而引起的。 松時間約束( 1 0 0 s et i m ec o n s t r a i n t ) ：又稱松時限，與緊時限概念相反，指 ! 窒璽鎏三堡奎耋璽土差絲重蚤；一 在滿足任務時限的同時，留給系統(tǒng)的時間比較寬松。 時限粒度( d e a d l i n eg r a n u l a r i t y ) ：從任務啟動時刻到截止期之間的間隔。 當這個值較小時，稱為時限顆粒小( 或小顆粒時限) ；反之，則稱為時限顆粒 大( 或大時限顆粒) 。 強實時任務( h a r dr e a l t i m e ) 任務：也稱為強時限任務。要求該任務在時限 之前完成，否則其結(jié)果將失去可用性。 弱實時任務( s o f tr e a l t i m e ) 任務：也稱為弱時限任務。若該任務不能在 時限到來之前完成，其結(jié)果的可用性將逐漸下降。 關(guān)鍵任務( c r i t i c a lt a s k s ) ：強調(diào)任務的重要程度。一個任務在時限之 前不能完成，則會產(chǎn)生災難性后果。 21 2 實時系統(tǒng)的可預測性 可預測性是指能夠確切斷定一個任務的完成時間的能力。它是實時系統(tǒng) 的一項非常重要的性能指標。在實時系統(tǒng)中，由于各個任務有各種各樣的時 間約束，任務間還有嵌套現(xiàn)象，其重要性和緊迫程度也不一樣，所以要保證 實時系統(tǒng)的可預測性實際上是一個復雜的工作。 盡管可預測性是每個實時系統(tǒng)設計者所追求的目標，但在實際應用中， 并不一定要保證所有任務均是可預測的，而只需要其中的關(guān)鍵任務能百分之 百滿足時限要求，所有非關(guān)鍵任務( 包括強實時任務和弱實時任務) 滿足總要 求。例如，9 7 的非關(guān)鍵強實時任務和9 5 的非關(guān)鍵弱實時任務必須滿足時 限。 2 1 3 有關(guān)實時系統(tǒng)的錯誤觀點 當前，有許多人對實時系統(tǒng)還存在著模糊的概念，甚至有些觀點還是錯 誤的。下面就是一些典型的有關(guān)實時系統(tǒng)的錯誤觀點： 實時系統(tǒng)設計沒有科學性； 超級計算機硬件的發(fā)展會照顧到實時要求； 實時計算等價于快速計算 實時編程就是使用匯編語言、安排中斷優(yōu)先級、寫驅(qū)動程序等； 實時系統(tǒng)設計的問題已經(jīng)在其它計算機和操作研究領域得到解決； 8 喧璽鎏三耋盔耋壟圭耄堡篁蚤 。 談論保證實時性能沒有意義，因為我們不能保證硬件不失效、軟件不 出錯、或者實際的操作條件不違反特定的設計要求； 實時系統(tǒng)在靜態(tài)環(huán)境中才發(fā)揮作用 對于以上錯誤觀點，這里主要強調(diào)兩點： 第一，“實時”并不等于“快速”。實時并不意味著時間約束是微秒或納 秒，雖然我們希望實時系統(tǒng)盡可能快的速度，但首先要求的是可預測性。一 個系統(tǒng)，不論它的速度有多么慢，只要能滿足特定應用的時間要求，那么它 就是一個滿足該應用的實時系統(tǒng)，而不管它能否滿足其它應用的要求。實際 上，現(xiàn)有實時系統(tǒng)都對響應時間和運行速度有特殊的要求，園此實時系統(tǒng)一 般都要求快速的響應時間和運行速度。速度越快的系統(tǒng)，它的實時應用領域 越廣，實時性越好：相反，速度越慢的系統(tǒng)，它的實時應用領域就越狹窄。 但是，不能以系統(tǒng)的速度快慢來判斷它是否是實時系統(tǒng)。 第二，對強實時任務的理解。強實對任務是指當任務完成超過肘限時， 會造成該任務得到的結(jié)果對整個應用毫無用處。至于強實時任務超過時限會 引起什么后果，這要視情況面定。若是關(guān)鍵任務，則會造成災難性后果，否 則就不會造成災難性后果。所以強實時任務既是關(guān)鍵任務又是小粒度時限任 務。將這些概念區(qū)分清楚，目的在于設計時正確劃分任務，避免過強的應用 要求產(chǎn)生一個設計余量過大或靈活性特差的系統(tǒng)。一個實時系統(tǒng)，如果有一 個以上的強實時任務，就稱為強實時系統(tǒng)，否則就彌為弱實肘系統(tǒng)。 2 1 4 實時系統(tǒng)的分類 從不同角度出發(fā)，對實時系統(tǒng)有不同的分類方法。下面是幾種常見的分 類方法。 1 從系統(tǒng)規(guī)模上劃分 1 ) 單板、單片機實時系統(tǒng)：這是一種最簡單的實時系統(tǒng)，一般由傳感器、 處理器和控制器三部分組成，廣泛用于工業(yè)控制和智能機器中。這類系統(tǒng)功 能簡單、開發(fā)容易、體積小、應用廣。 2 ) n z 式實時系統(tǒng)：這是典型的實時系統(tǒng)其有比較精練而完備的實時 操作系統(tǒng)，內(nèi)核精練，性能較高，應用系統(tǒng)需進行交叉開發(fā)。 3 ) 大型實時系統(tǒng)：這類系統(tǒng)的特點是，操作系統(tǒng)功能強大，應用于大型 q 墮笙鎏三堡奎主壅圭耋垡鯊耋 ；。， 系統(tǒng)中。其操作系統(tǒng)既有實時操作系統(tǒng)的特征，又有通用操作系統(tǒng)的功能， 通常應用在高檔微機、小型機或大型機上。盡管其硬件無法安裝在應用系統(tǒng) 中，因此形式上不是嵌入式的，但是其功能、地位仍從屬于嵌入式系統(tǒng)。 2 從實時要求上劃分 1 ) 強實時系統(tǒng)：系統(tǒng)中至少有一個強實時任務，系統(tǒng)設計圍繞著如何滿 足這些強實時任務的時限，而采取的一些必要措施。 2 ) 弱實時系統(tǒng)：系統(tǒng)中的實時任務全是弱實時任務，盡管它們對時限的 要求不如強實時任務那么嚴格，但它們也是實時任務，滿足時限仍是設計時 需要考慮的一個重要園素。 3 從體系結(jié)構(gòu)上劃分 1 ) 集中式實時系統(tǒng)：其特點是一個完整的控制處理過程由單機完成。雖 然其優(yōu)點來自于單機處理，但缺點也在單機處理上。由于應用日益復雜，僅 用一臺計算機往往來不及進行必要的處理，無法滿足許多復雜的實時應用。 2 ) 分布式實時系統(tǒng)：分布式系統(tǒng)的主要特點是，多機共享資源，共同完 成一個任務。要在分布式系統(tǒng)中引入實對特征，還存在許多困難。難題之一 是網(wǎng)絡的實時性，即如何保證網(wǎng)絡傳輸是有界和可預測的。另一個難題是分 布式系統(tǒng)的調(diào)度問題，包括負載平衡、信息傳送、減少開銷、任務粒度劃分 等。盡管存在系列問題，但分布式實時系統(tǒng)的發(fā)展前景還是十分吸引人的。 2 2 實時操作系統(tǒng)的基本理論 2 2 1 計算機操作系統(tǒng)概述 多數(shù)計算機用戶都有一些使用計算機的體驗，但是要給出操作系統(tǒng)的準 確定義卻很困難。下面從兩個角度對操作系統(tǒng)進行討論。 1 作為擴展機器的操作系統(tǒng) 將硬件和軟件隔離開來，并提供一個可以讀寫的命名文件的簡潔的方 式，當然就是操作系統(tǒng)。與操作系統(tǒng)屏藏了磁盤硬件，提供了個簡明的、 面向文件的接口類似，其他許多包括定時器、存儲器管理等低層硬件的特性 也被隱藏了。在這種情況下，操作系統(tǒng)提供的抽象都較底層硬件本身更簡單、 1 0 墮璽鎏三鶩盔堂堡圭主堡鎏蚤 更易使用。 從這個角度看，操作系統(tǒng)的作用是為用戶提供了一臺等價的擴展機器 ( e x t e n d e dm a c h i n e ) ，或稱虛擬機，它比底層硬件更容易編程。 2 作為資源管理器的操作系統(tǒng) 把操作系統(tǒng)看作是提供給用戶的基本的方便接口的概念是一種自頂向 下的觀點。按照一種自頂向上的觀點，操作系統(tǒng)則用來管理一個復雜系統(tǒng)的 各個部分。現(xiàn)代計算機包含處理器、存儲器、時鐘、磁盤、終端、磁帶設備、 網(wǎng)絡接口、激光打印機以及許多其他設備。從這個角度看，操作系統(tǒng)的任務 是在相互競爭的程序之間有序地控制對處理器、存儲器以及其他i o 接口設備 的分配。 這種觀點認為操作系統(tǒng)的主要任務是跟蹤誰在使用什么資源、滿足資源 請求、記錄使用狀況，以及協(xié)調(diào)各程序和用戶對資源使用請求的沖突。 2 2 2 實時操作系統(tǒng)的定義 r t o s ( r e a lt i m eo p e r a t i o ns y s t e m ) 即實時多任務操作系統(tǒng)，是指具 有實時性，能支持實時控制系統(tǒng)和實時信息處理的操作系統(tǒng)。之所以稱為實 時操作系統(tǒng)，是根據(jù)操作系統(tǒng)的工作特性而言的。實時指物理進程的真實時 間，其首要任務是調(diào)度一切可利用的資源完成實時控制任務，其次才著眼于 提高計算機系統(tǒng)的使用效率，重要特點是要滿足對時間的限制和要求。 一個好的實時操作系統(tǒng)需要具備以下功能( 必須的但是不充分的) ： 多任務的和可搶占的。 任務具有優(yōu)先級。 操作系統(tǒng)具備支持可預測的任務同步機制。 支持多任務間的通信。 操作系統(tǒng)具備消除優(yōu)先級轉(zhuǎn)置的機制。 存儲器優(yōu)化管理( 含r o m 的管理) 。 操作系統(tǒng)的延遲( 含中斷延遲、任務切換、驅(qū)動程序延遲等) 行為是可 知的和可預測的，這是指在全負荷的情形下，最壞反應時間可知。 實時時鐘服務。 1 1 墮璽鎏；三壟奎耋壟圭耋堡絲奎 一一 中斷服務。 2 ，2 3 實時操作系統(tǒng)的重要概念 1 系統(tǒng)響應時間 系統(tǒng)發(fā)出處理要求到系統(tǒng)給出應答信號的時間 2 任務切換時間 任務之間切換而使用的時間 3 中斷延遲 是計算機接收到中斷信號到操作系統(tǒng)作出響應，并完成切換轉(zhuǎn)入中斷服 務程序的時間。 4 任務 實時操作系統(tǒng)中的任務( t a s k ) 等同于分時操作系統(tǒng)中的進程( p r o c e s s ) 的概念。系統(tǒng)中的任務一般有四種狀態(tài)；運行( e x e c u t i n g ) 、就緒( r e a d y ) 、 掛起( s u s p e n d e d ) 、睡眠( d o r m a n t ) 。 運行：獲得c p u 管理權(quán)。 就緒：進入任務等待隊列，可通過調(diào)度轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。 掛起：任務發(fā)生阻塞，移出任務等待隊列，等待系統(tǒng)實時事件的發(fā)生 而喚醒。從而轉(zhuǎn)為就緒或運行。 睡眠：任務完成或錯誤等原因而被清除的任務。也可以認為是系統(tǒng)中 不存在了的任務。 單c p u 系統(tǒng)中只能有一個任務在運行狀態(tài)，各任務按級別( 一般是優(yōu)先 級) 通過時間片分別獲得c p u 的訪問權(quán)。 2 2 4 實時操作系統(tǒng)的評價指標 我們知道，通用操作系統(tǒng)的目的是方便用戶管理計算機資源，追求系統(tǒng) 資源的最大利用率和公平對待所有的系統(tǒng)請求。而實時操作系統(tǒng)追求的是實 對性、可確定性、可靠性。評價一個實對操作系統(tǒng)一般可以從下雨叔叔幾個 方面來衡量。 任務調(diào)度機制 1 2 墮璽鎏三壟奎蘭堡圭耋堡鯊塞 一 實時操作系統(tǒng)的實時性和多任務能力在很大程度上取決于它的任務調(diào) 度機制。從調(diào)度策略上來講，分優(yōu)先級調(diào)度策略和時間片輪轉(zhuǎn)調(diào)度策略；從 調(diào)度方式上來講，分可搶占、不可搶占、選擇可搶占調(diào)度方式。 最小內(nèi)存開銷 r t o s 的設計過程中，最小內(nèi)存開銷是一個較重要的指標，這是因為實時 系統(tǒng)特別是包括消費類電子產(chǎn)品在內(nèi)的嵌入式系統(tǒng)中，由于基于降低成本的 考慮，其內(nèi)存的配置般都不大，而在這有限的空間內(nèi)不僅要裝載實時操作 系統(tǒng)，還要裝載用戶程序。因此，在r t o s 的設計中，其占用內(nèi)存大小是一個 很重要的指標，這是r t o s 設計與其他操作系統(tǒng)設計的明顯區(qū)別之一。 最大中斷禁止時間 當r t o s 運行在核態(tài)( 指操作系統(tǒng)的管理程序執(zhí)行時機器所處的狀態(tài)) 或 執(zhí)行某些系統(tǒng)調(diào)用的時候，是不會因為外部中斷的到來而中斷執(zhí)行的。只要 當r t o s 重新回到用戶狀態(tài)時才響應外部中斷請求，這過程所需的最大時間 就是最大中斷禁止時間， 任務切換時間 當由于某種原因使一個任務退出運行時，實時操作系統(tǒng)必須要保存它的 運行現(xiàn)場信息、插入相應隊列、并依據(jù)一定的調(diào)度算法重新選擇一個任務使 之投入運行，這一過程所需時間稱為任務切換時間。 上述幾項中，最大中斷禁止時間和任務切換時間是評價一個r t o s 實時性 的最重要的兩個技術(shù)指標。 2 3 實時系統(tǒng)的設計要點 由于實時系統(tǒng)在應用方面的特殊要求，在實時系統(tǒng)的設計時存在著與原 來的通用系統(tǒng)不網(wǎng)的考慮因素。 首先在實時系統(tǒng)中最基本的是系統(tǒng)應該能夠提供對時間正確性進行評 估的方法。也就是在實時系統(tǒng)中不管是用戶還是開發(fā)人員都需要系統(tǒng)提供一 種指定時間尺度的方法。比如在有的實時系統(tǒng)中指定每隔一段時間就運行一 段程序，或者是提供指定程序必須在某個時聞點之前完成的方法等。在實時 1 喧璽鎏苫堡盔耋堡圭耋售鯊塞 系統(tǒng)中這是最基本的要求，這時通用系統(tǒng)中的功能就完全的不適用了。例如 u n i x $ 口許多類似的通用系統(tǒng)中都提供一種延時的手段，但這種方法在實時系 統(tǒng)中就無法達到要求，因為這種延時手段無法保證應用能夠在d e a d l i n e 之前 完成計算。 第二是實時操作系統(tǒng)的設計或選用。在現(xiàn)代的實時系統(tǒng)當中一般都有實 時操作系統(tǒng)的存在。因為操作系統(tǒng)使系統(tǒng)的設計更加的簡便，保證系統(tǒng)的質(zhì) 量以及能夠提供其他通用操作系統(tǒng)所提供的服務。這樣實時的操作系統(tǒng)就面 臨著更高的設計要求。 第三是實時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設計。實時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)必須滿足1 高運 算速度，2 高速的中斷處理，3 高的t o 吞吐率，4 合理的處理器和i o 設備 的拓撲連接，5 高速可靠的和有時間約束的通信，6 體系結(jié)構(gòu)支持的出錯處 理，7 體系結(jié)構(gòu)支持的調(diào)度，8 體系結(jié)構(gòu)支持的操作系統(tǒng)，9 體系結(jié)構(gòu)支持 的實時語言特性。 2 4 本章小結(jié) 本章介紹了實時系統(tǒng)和實時操作系統(tǒng)的基本理論，從這些理論我們可以 得出如下結(jié)論： 1 從實時系統(tǒng)的特征和實時系統(tǒng)設計時要考慮的要點可以看出，邏輯正 確性、時間正確性、可預測性是實時系統(tǒng)的基本要求，同時實時操作系統(tǒng)的 設計或選用、實時系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)在實時系統(tǒng)的實現(xiàn)中也是必須要考慮的條 件。這些條件與操作系統(tǒng)的任務調(diào)度機制、任務優(yōu)先級、任務切換時間、中 斷管理和處理速度等性能有關(guān)，要滿足實時系統(tǒng)的所有這些性能要求，通用 的非實時操作系統(tǒng)是不能保證的。 2 實時操作系統(tǒng)的特點是，具有高速的處理器、具有中斷處理能力、具 有多任務優(yōu)先級支持、具有基于優(yōu)先級的任務調(diào)度能力和支持實時語言等功 能，實時操作系統(tǒng)的特點有利于實現(xiàn)系統(tǒng)的可預測性和實時響應要求，滿足 實時系統(tǒng)的需要。 3 有以上兩點可知，實時操作系統(tǒng)具備了實現(xiàn)實時系統(tǒng)性能要求的基本 1 4 ! 窒i 鎏i ：堡叁耋堡土耄堡鎏塞 條件，因此實時操作系統(tǒng)在實時系統(tǒng)中得到了廣泛的應用，實際上已經(jīng)成為 很多實時系統(tǒng)中必不可少的組成部分。尤其是在硬實時系統(tǒng)的開發(fā)中，實時 操作系統(tǒng)是必須的條件。但是，具有實時操作系統(tǒng)的系統(tǒng)并不就是實時系統(tǒng)， 實時操作系統(tǒng)并不能夠保證實時系統(tǒng)所有的性能都能得到滿足，除了具有實 時操作系統(tǒng)之外，實時系統(tǒng)還需要可靠的硬件支持、設計合理的軟件等，在 分布式實時系統(tǒng)中，還需要實時的分布式消息傳輸能力、分布式任務間的實 時通信能力、分布式任務調(diào)度機制等方面其他條件的保證。 1 5 喧璽鎏三堡盔蘭堡土蘭垡鯊鑾 3 1 概述 第3 章分布式系統(tǒng)與l a n 的理論基礎 計算機應用正在經(jīng)歷一場革命。從1 9 4 5 年計算機時代開始直n 1 9 8 5 年， 計算機一直是龐大昂貴的設備。即使小型計算機也要花數(shù)萬美元。這使得大 多數(shù)機構(gòu)通常只有位數(shù)不多的幾臺機器，并且由于它們之間缺少互聯(lián)的手段， 這些機器都是各自獨立地工作。然而，從8 0 年代開始，兩項技術(shù)的進步改變 了這種局面。第一項是功能日益強大的微型計算機的發(fā)展。最早是8 位的微機， 接著是1 6 位、3 2 位的微機，現(xiàn)在甚至是6 4 位的微機也開始變得普遍。它們當 中很多具有早期大型計算機的計算能力，但價格卻低的多。第二項進步是高 速局域網(wǎng)的出現(xiàn)。局域網(wǎng)能將數(shù)十臺機器、甚至數(shù)百臺機器連接在一起，數(shù) 據(jù)在機器之間傳輸只需要幾ns 的時間。大量的數(shù)據(jù)能以超過l o i b p s 的速率傳 輸。這兩項進步的直接結(jié)果是通過高速網(wǎng)絡將許多c p u 連接起來構(gòu)成一個計算 機系統(tǒng)的做法變得可行而且非常容易。這種系統(tǒng)通常被稱為分布式系統(tǒng)。它 與傳統(tǒng)的單個c p u 、主存、外設和終端所組成的集中式系統(tǒng)形成鮮明的詫異。 本章討論分布式系統(tǒng)和局域網(wǎng)的基本理論。 3 2 分布式系統(tǒng)的性能 3 2 1 分布式系統(tǒng)相對于集中式系統(tǒng)的優(yōu)點 l _ 它具有比集中式系統(tǒng)更好的性能價格比。 推動系統(tǒng)走向分布式應用的真正動力來自于經(jīng)濟因素。四分之一個世紀 以前，計算機界的泰斗h e r bg r o s c h 提出了著名的g r o s c h 定律：一個c p u 的計 算能力與它的價格的平方成正比，付出兩倍的價格可以獲得四倍的性能，這 條定律對當時大型機來說卻是如此，所以當時的機構(gòu)都盡自己所能去購買大 型的柵器。 墮璽鎏王堡查莖堡圭主堡篁圣 對于微型計算機來說，g r o s c h 定律就不再適合了?；◣装倜涝?，你能買 到一個性能k l 8 0 年代末的大型機還好的c p u 芯片。如果你花雙倍的價錢，你也 可能買到的僅僅是比前一種時鐘稍微快一點的c p u 。因此，現(xiàn)在性能價格比最 高的方案是將盡可能多的、廉價的c p u 組織在一個系統(tǒng)內(nèi)。選擇分布式系統(tǒng)的 第一個原因就是因為它具有集中式系統(tǒng)更好的性能價格比。 2 有些應用本身就是分布式的。 在工廠里，自動化系統(tǒng)控制在流水線上的機器人和機器，給每臺機器和 機器人安裝一個計算機進行控制是很自然的事情。當這些計算機連接在一起 的時候，就形成了商業(yè)上的分布式系統(tǒng)。 3 分布式系統(tǒng)具有更高的可靠性。 通過將任務交由多個機器共同承擔，單個芯片的故障只會造成一臺機器 停下來，而其他的機器將繼續(xù)工作。理想的情況下，當有5 的機器停止工作 時，系統(tǒng)應該能繼續(xù)工作，只是性能上有5 的損失。對于一些關(guān)鍵性應用來 說，例如控制核反應堆或飛機，使用分布式系統(tǒng)來達到高可靠性是最主要的 考慮因素。 4 可擴展性也是分布式系統(tǒng)的一大優(yōu)點。 使用分布式系統(tǒng)，只要加入更多的處理器，系統(tǒng)的性能可以隨著需要的 增加而增加。 3 2 2 分布式系統(tǒng)的分類 盡管所有的分布式系統(tǒng)都是由多個c p u 構(gòu)成的，但存在不同的方法將硬 件組織起來，主要的不同體現(xiàn)在c p u 是如何連接起來的、相互如何通信等方面。 在多機系統(tǒng)中，按照其微處理機間耦合程度的不同，多機系統(tǒng)可以分為兩大 類： 1 m u l t i p r o c e s s o r s 系統(tǒng)( 緊耦合系統(tǒng)) 緊耦合系統(tǒng)就是在一個計算機系統(tǒng)里集成幾個、幾十個甚至成千上萬個 微處理機，處理機之間通過總線、交換( s w i t c h ) 結(jié)構(gòu)或者其它部件連接起來。 它們主要通過共享內(nèi)存來通訊，這也就是叫它緊耦合系統(tǒng)的原因。緊耦合系 統(tǒng)趨向于用作并行系統(tǒng)，通常用于解決同一個問題，多處理器更趨向于是緊 1 7 墮笙鎏圭堡盔耋堡圭蘭垡i 塞 ；一 耦合型。在緊耦合系統(tǒng)中，消息在機器之間傳輸?shù)臅r延很短，數(shù)據(jù)傳輸率很 高，c , e u k ：f 日j 傳輸數(shù)據(jù)速率幾乎等于主存的速率。典型的緊耦合系統(tǒng)表現(xiàn)為， 兩個或以上的c p u 通過總線連接起來、c p u t 明過并行控制算法和并行運算算 法在邏輯上能夠互相協(xié)作，最終能夠共同解決一個比較復雜的問題。 2 毗u l t i c o m p u t e r s 系統(tǒng)( 松耦合系統(tǒng)) 松耦合系統(tǒng)微處理機之間沒有直接相連，沒有共享內(nèi)存，而是通過計算 機之間的網(wǎng)絡接口或者其它方式相互連接。人們趨向于將松耦合系統(tǒng)看作為 分布式系統(tǒng)，松耦合系統(tǒng)多用于解決多個不相關(guān)的問題，多計算機趨向于松 耦合系統(tǒng)。與緊耦合系統(tǒng)相比，松耦合系統(tǒng)的傳輸時延較大，數(shù)據(jù)傳輸率較 低。通過電話線、電纜、雙絞線和光纖等連接起來的組成的局域網(wǎng)、城域網(wǎng) 和廣域網(wǎng)都可以被認為是松耦合型的分布式系統(tǒng)。 3 2 3 松耦合分布式系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 在松耦合分布式系統(tǒng)中，最為廣泛應用的形式是基于局域網(wǎng)的，如第一 章所述，這種物理上松散耦合而邏輯上緊密耦合的分布式系統(tǒng)的組成為： 分布式系統(tǒng)= 計算機網(wǎng)絡( n e t w o r k ) + 撂椎磊統(tǒng)( 分布式) 圖3 1 分布式系統(tǒng)的構(gòu)成 如圖3 1 所示，按照物理組成和邏輯關(guān)系可以把分布式系統(tǒng)分為四層， 自下而上第一層為網(wǎng)絡硬件層，包括組成分布式系統(tǒng)的計算機設備、網(wǎng)絡設 備和各種網(wǎng)絡終端組成；第二層由計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡協(xié)議( 包括和各種硬 件設備的驅(qū)動程序等組成) ；第三層為中間層和網(wǎng)絡協(xié)議層，中問層介于操作 系統(tǒng)和應用軟件之間，表現(xiàn)為分布式算法和在操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡協(xié)議的基礎之 上所進行的一些二次封裝，這些封裝的結(jié)果是為應用程序的用戶提供了一批 1 8 墮釜鎏三壟奎耋鎏圭耋堡鎏塞。一 通用的軟件接口，這些接口可以為系統(tǒng)的操作系統(tǒng)和應用程序共同服務。第 四層為應用軟件層，在本層主要為用戶的應用服務程序。 3 3 局域網(wǎng)技術(shù)及其應用 局部區(qū)域網(wǎng)絡( l o c a a r e an e t w o r k s ，簡稱l a n ) ，通常簡稱它為“局域 網(wǎng)”。具有如下三個特點的一個網(wǎng)絡可被稱為局域網(wǎng)：網(wǎng)絡所覆蓋的地理 范圍很有限，通常在幾公里范圍之內(nèi)，甚至只在一座建筑物內(nèi)；通信系統(tǒng) 的信息傳輸速率比較高，通常在a m b s 以上；網(wǎng)絡擁有權(quán)和經(jīng)營管理權(quán)屬于 某一個單位，不受電信部門管轄。所以，局域網(wǎng)通常表現(xiàn)為一類專用網(wǎng)絡。 局域網(wǎng)的特性主要有三個要素確定。1 ，即：拓撲結(jié)構(gòu)，傳輸媒質(zhì)( 包括信號 技術(shù)) 和信道接入控制協(xié)議。下面逐一介紹。 3 31 局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu) 1 總線形拓撲結(jié)構(gòu) 如圖3 2 所示為總線型局域網(wǎng)的結(jié)構(gòu)示意圖，總線拓撲是迄今為止最常 見的網(wǎng)絡拓撲。在這種結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡中，所有的用戶工作站( 計算機、終端、外 圍設備或電話機等) 都同等地掛接在一條廣播式公共傳輸信道( 總線) 上。 圖3 2 總線型局域網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖 2 環(huán)形拓撲 圖3 3 為環(huán)形局域網(wǎng)的示意圖，環(huán)形局域網(wǎng)的各工作站通過一個環(huán)接器 掛接在一個環(huán)形配置的傳輸通路上。由于傳輸通路是閉合回路，為保證正常 的信號傳輸，環(huán)內(nèi)的信號必須是單向傳播的。為保證單向傳播，每個環(huán)接器 必須具有一側(cè)接收另側(cè)發(fā)送的功能，即具有收發(fā)隔離功能。 1 9 哈爾濱工程大學碩士學位論文 倒3 3 環(huán)形局域網(wǎng)示意圖 3 星型拓撲 星形拓撲的最大特點是將網(wǎng)絡的交換和控制集中在唯一的中心結(jié)點( 交 換機或控制器) 上。任一單位內(nèi)部，可以利用單位現(xiàn)有的專用小交換機( p a b x ) 迅速建成一個星形結(jié)構(gòu)的局域網(wǎng)一基于電話或者